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1、前言近几个世纪以来，全球人口急剧膨胀，而且有越来越向城市集中的趋势。在城市中道路和建筑物鳞次栉比，参差不齐，形成了特殊性质的下垫面；工商业和交通运输频繁，是大气污染物的源地，在一定程度上改变了大气的组成成分；再加上城市中居民的生产和生活活动大量消耗能源，产生越来越多的人为热、温室气体和人为水汽进入大气。因此，人类活动对气候的影响在城市中表现得最为突出，可以说城市是研究人类活动与气候关系的理想实验室。所以，研究城市气候非常有实际意义，它一方面在论证人类活动与气候变化的关系上有着重要的理论意义，另一方面在城市气候预报、城市规划、城市建筑物设计、环境保护、能源使用、居民保健、城市灾害防御和生态平衡的
2、改善上都有着非常重要的应用价值。第一章 绪论第一节 城市气候学的定义、研究对象和任务一、什么是城市气候1、城市气候：是在区域气候背景之上，经城市化后，在城市这一特殊的下垫面和人类活动的影响之下形成的一种局地气候。2、城市化地区的特点 它是非农业人口高度密集的区域 据统计世界人口密度平均为每平方公里28人，而城市人口每平方公里却有数百人乃至数万人。 它是高强度的经济活动区 城市交通发达，工业生产、商品流通和消费水平很高，使得生产资料、生活资料和能源使用都高度集中，高速运转，是人类高强度经济活动的所在，使城市环境发生了巨大的改变。 它具有特殊的下垫面 坚硬密实、干燥不透水城市中人工建筑物、构筑物高
3、度集中，以坚硬密实、干燥而不透水的建筑材料代替了原来疏松和植物覆盖的土壤或空旷的荒地。道路纵横交错，建筑物参差不齐，使城市的轮廓忽升忽降。这种“人为的立体下垫面”无论在物质构成上还是几何形状上都与郊区大不相同。下垫面是气候形成的重要因素，它与空气间存在着复杂的物质交换和能量交换，又是下层空气运动的边界面。它对空气的温度、湿度、风速、风向等都有很大的影响，这是导致城市气候与郊区不同的重要原因之一。同时城市用地由于使用目的不同，又可分为不同的类型，各种用地的功能不同，其下垫面性质也相应地有很大差异，这是造成城市内部气候区域差异的主要原因之一。 它是污染物、人为热、人为水汽的大量释放区 城市的供水、
4、排水方式与自然地表截然不同，从而影响其与大气的热量和水分的交换。二、城市气候的研究范围1、城市覆盖层：城市建筑物屋顶以下至地面，属于“小尺度”气候，还可细分为建筑物气候、城市街道峡谷气候、住宅区气候、工业区气候、商业区气候等2、城市边界层：城市建筑物屋顶向上至积云中部高度，上限高度因天气条件而异，白昼和夜晚也不同，属于“中尺度”气候3、城市尾羽层：城市的下风方向郊区边界层以上至积云中间高度4、乡村边界层：在城市尾羽层下 城市气候学的研究对象就是包括这几层在内的局地气候。三、城市气候学的研究任务 城市气候观测1、城市覆盖层内小气候观测 测点宜选择在不同性质的下垫面，不同功能区和不同走向、不同高宽
5、比的城市街道峡谷中2、城市、近郊、远郊乡村地面层对比观测 选择有典型意义的天气（如无云无风或微风），对城市中心区、边缘区、近郊区和远郊区有代表意义的测点进行同步观测。3、城市和近郊区较大范围的三度空间观测 应用地面观测、低空探空系统、声雷达、平衡气球、双向测风仪等仪器同时在城市和附近郊区选择适当的东西向和南北向的测点进行同步三度空间的观测。4、城市和近郊区下垫面特征的观测 可以进行直接观测，亦可利用航空遥感和卫星遥感图像进行分析，了解城乡下垫面的反射率、温度、植被和水分可用量等特征。 分析城市各要素的特征及其相互关联性 在积累大量观测资料的基础上，分析城市日照、辐射、风速、风向、湿度、云、雾、
6、降水和有关大气污染等方面的特征，揭示其周期性变化、非周期性变化和地区差异，研究各要素之间的相互关联和相互制约的规律性。 研究城市气候的成因和过程 在掌握城市气候特征的基础上，从自然因素和人为因素两方面的结合上，研究城市气候形成的原因和过程，特别是要研究城市人类活动如何影响气候这个理论问题，如城市热岛、干岛、湿岛、浑浊岛和雨岛这“五岛”效应，城市雾的形成原因和过程等等。 研究并建立城市大气覆盖层和边界层数值模式 城市气候的研究必须从定性走向定量，用数值实验的方法，进行控制不同物理过程和边界条件来模拟城市大气覆盖层和边界层中的风场、温度场和湿度场等要素变化的物理特性和污染物的扩散规律，达到了解城市
7、气候的形成原因等理论问题的目的。 探讨改善城市气候条件的途径 应用城市气候规律，采取必要的措施，控制大气污染物的排放，有意识地改造城市气候条件，使之向有利于城市居民生活和各项生产的方向发展。 进行城市气候应用领域的研究 城市气候学的应用领域甚广，它与城市规划、建筑设计、能源利用、环境保护、城市水利建设、地下管道设计、城市医疗保健、城市气候资源开发、城市天气预报和城市气象灾害的防御等都有密切的关系。第二节 城市气候研究简史和新动向（自学）第三节 城市气候研究方法一、历史对比法为了研究城市化对气候的影响，对某些发展得比较快的城市，可以对比其多年气候资料，分析它在城市化前后和发展过程中气候的变化。在
8、应用此法时必须注意以下两个问题：一是某一城市气候资料的来源，最好是出自同一气象站，或前后两站地理环境相差不大，所用仪器和观测规范是一致的。二是在研究某一城市气候变化的历史时，还必须考虑在这段历史时间内由于大区域气候因子（如太阳黑子、大气环流等变化等）所引起的气候自然变化，要滤掉气候自然变化的因素才能显示“城市化”这个因子的影响。二、周末与工作日对比法 利用同一气象站某些气象要素周末平均记录与工作日平均记录进行比较，求出两者的差值，从中可以看出城区人类活动强度不同时对城市气候的影响程度。三、城郊对比法应用城市气候资料与郊区同时间观测资料，进行对比，两者的差值可作为城市对气候影响的重要标志。在应用
9、此法时，必须注意以下几个问题。首先，要注意城区站和郊区站的选址问题。为了滤去自然地理因子的影响，两站必须具有相似的地形、海拔高度和区域气候条件。其次，要注意观测时间的同步性和使用仪器的一致性。此外，城市的影响会波及其下风方向的郊区站，最好在不同方位上都设有郊区对照站，以便在不同风向时，选择位于城市上风向的郊区站资料来与同时间城区站资料进行对比。城、郊对比法是进行城市气候研究时经常使用的方法，在选择好适宜的城区站和郊区对照站之后，对主要气候要素的年际变化、季节变化和日变化都要进行对比，才能掌握城市和郊区气候周期性变化的异同。四、城市内部不同性质下垫面对比法 城市内部具有多种不同性质的下垫面，在进
10、行产生覆盖层气候研究时，最好先将城市内部下垫面按其不同功能、土地利用类型、建筑密度、不透水面积百分比、植被覆盖度等进行分类。在不同类型的下垫面上设置观测点，可采用定点长期观测与短时期流动观测相结合的方法，观测其地表和城市覆盖层内不同高度的气象要素的分布和变化，分析其时空分布规律及其形成机制。五、大小尺度因素相结合的方法城市气候的形成不是孤立的，它本身的尺度虽是局地性的，但任何局地情况都受大尺度天气形势的影响。当大型天气比较平稳，气压梯度小，无风或仅有微风，昼有晴空日射，夜晚无云时，则局地因素起主要作用。城市与郊区以及城市内部下垫面性质不同的区域之间的差异，在这种天气下表现得最为明显。相反，当大
11、型天气气压梯度大，风力较强，阴云密布或有锋面降水时，则天气尺度的因素占优势，局地因素就被掩盖而不起主要作用，城郊气候差别不明显。在大尺度天气中，风是控制局地要素的主要因子。局地要素对大尺度天气最重要的反馈作用是影响当地的云量和降水。在局地要素之间，有许多要素也是相互影响的。例如局地的垂直温度分布和水平温度分布影响局地风的结构，风的结构又影响空气污染物浓度的分布等。六、模拟实验法 为了确知城市化对气候的影响，还采用模拟实验法。最常用的是将城市实况按比例做一模型，采用风洞试验，使带烟气流通过次城市模型，利用烟气活动观察上风方向、下风方向气流变化的情况。七、数学、物理建模法第一类为城市气候统计模式：
12、主要是根据城市与其邻近郊区大量观测资料，对某一城市气候特征进行回归分析，找出其相互关联的经验统计模式，最常见的是有关城市热岛强度的模式。第二类是建立在动力学和热力学基础上的城市边界模式：1、能量平衡模式主要是研究发生在地气界面上的能量收支等物理过程。按照研究的范围不同，主要有简单的地面能量平衡模式和具有与上层边界层相互作用的边界层能量平衡模式。2、混合层模式主要是根据城市下垫面粗糙度、城市表面风速、城市热量输入以及在上风向乡村逆温强度等控制参数，模拟一个充分混合的城市边界层内温度结构及其对下风方向郊区影响所及的厚度。3、动力学模式根据流体动力学方程、热力学方程，有时兼用辐射方程来模拟城市大气边
13、界层的平均温度场、流场和湍流特征。八、应用气候学研究法 例如在城市规划中如何合理布局，安排好工业区与居住区的位置，尽可能减少居住区受到大气污染。又例如城市建筑结构设计需要根据城市风压数据，日照、风向来确定城市建筑物的最佳和适宜的朝向及建筑间距。再例如城市排水管道系统的设计，需要当地长期的降水资料，特别是暴雨值作为依据。第二章 城市的大气第一节 城市的大气成分及大气污染概况一、城市的大气污染1、自然界近地面大气层的成分：干洁空气、水汽及气溶胶粒子2、大气污染 大气污染：是指排入大气的污染物或由其转化的二次污染物的数量、浓度及在空中的滞留时间达到了妨碍人体健康、影响动植物生存以及损坏各种设备、器皿
14、，即破坏自然环境的危害现象。 造成大气污染的有自然过程和人为因素两种。一般说来，由于自然环境本身所具有的自净作用，会使自然过程造成的污染在一定时间后自动清除，因此人类的生产活动和生活活动成为大气污染的主要根源。 大气污染的主要过程由污染物排放、大气传播、人与物受害三个环节构成。二、城市大气污染源城市中大气污染物的来源分为固定源和流动源两种。 工业生产这是大气污染的主要来源，由于工业生产的性质、规模、原材料、产品以及工艺过程各有不同，对大气的污染程度也各有差异。火力发电厂是最大的污染源，其次是钢铁厂、有色金属冶炼厂、焦化厂，再次是化学工业。污染物的排放途径主要有：1、燃料的燃烧。煤和石油是重要的
15、工业燃料，在燃烧过程中释放出不少有害物质，主要有烟尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、烃类以及重金属等。2、生产过程中排放的废气。例如石油在裂解过程中会排放出二氧化硫、一氧化碳、烃类等。 生活炉灶与采暖锅炉 这些设备燃烧效率很低，耗用的原煤不加处理，因此排放的有害物质数量较大，特别是在采暖季节，用煤量倍增，如遇不良的气象条件，释放出的烟尘及二氧化硫等污染物无法扩散，积聚在低层，造成危害。 废物焚化 主要指固体废物的焚化，以烟尘、二氧化碳及其他有毒气体的排放为主。 交通运输 机动车排放出的一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物的数量相当可观。例如日本东京，汽车对氮氧化物的贡献占70%，工厂只占30%。而且机动车排放高度低，直接危害人体健康。为了控制和改善大气质量，防止生态破坏，保护居民健康，世界上许多国家均先后制定了相应的空气质量标准，对空气污染物的浓度值作了规定。我国在1982年也颁布了大气环境质量三级标准，根据这个标准，大气质量分为三类：一类区为自然保护区、风景游览区、名胜古迹区、疗养地等，空气质量最好；二类区为城市规划中的居民区、商业交通居民混合区、文化区、乡村等，空气质量较好；三类区为大气污染比较严重的城镇和工业区及城市交通枢纽、干线
